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1．前言 在絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)得到大力發展以前，功率場效應管MOSFET被用于需要快速開關的中低壓場合，晶閘管、GTO被用于中高壓領域。MOSFET雖然有開關速度快、輸入阻抗高、熱穩定性好、驅動電路簡單的優點；但是，在200V或更高電壓的場合，MOSFET的導通電阻隨著擊穿電壓的增加會迅速增加，使得其功耗大幅增加，存在著不能得到高耐壓、大容量元件等的缺陷。雙極晶體管具有優異的低正向導通壓降特性，雖然可以得到高耐壓、大容量的元件；但是它要求的驅動電流大，控制電路非常復雜，而且交換速度不夠快。 IGBT正是作為順應這種要求而開發的，它是由MOSFET（輸入級）和PNP晶體管（輸出級）復合而成的一種器件，既有MOSFET器件驅動功率小和開關速度快的特點（控制和響應），又有雙極型器件飽和壓降低而容量大的特點（功率級較為耐用），頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十KHz頻率范圍內。基于這些優異的特性，IGBT一直廣泛使用在超過300V電壓的應用中，模塊化的IGBT可以滿足更高的電流傳導要求，其應用領域不斷提高，今后將有更大的發展。 2．IGBT構造與特性 IGBT是由MOSFET和GTR技術結合而成的復合型開關器件，是通過在功率MOSFET的漏極上追加p+層而構成的，性能上也是結合了MOSFET和雙極型功率晶體管的優點。N+區稱為源區，附于其上的電極稱為源極（即發射極E）。P+區稱為漏區。器件的控制區為柵區，附于其上的電極稱為柵極（即門極G）。溝道在緊靠柵區邊界形成。在C、E兩極之間的P型區（包括P+和P-區）（溝道在該區域形成），稱為亞溝道區（Subchannel region）。而在漏區另一側的P+區稱為漏注入區（Drain injector），它是IGBT特有的功能區，與漏區和亞溝道區一起形成PNP雙極晶體管，起發射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調制，以降低器件的通態壓降。附于漏注入區上的電極稱為漏極（即集電極C）。  IGBT是由一個N溝道的MOSFET和一個PNP型GTR組成，它實際是以GTR為主導元件，以MOSFET為驅動元件的復合管。IGBT除了內含PNP晶體管結構，還有NPN晶體管結構，該NPN晶體管通過將其基極與發射極短接至MOSFET的源極金屬端使之關斷。IGBT的4層PNPN結構，內含的PNP與NPN晶體管形成了一個可控硅的結構，有可能會造成IGBT的擎柱效應。IGBT與MOSFET不同，內部沒有寄生的反向二極管，因此在實際使用中（感性負載）需要搭配適當的快恢復二極管。 IGBT的理想等效電路及實際等效如圖所示：  IGBT的理想等效電路及實際等效電路 由等效電路可將IGBT作為是對PNP雙極晶體管和功率MOSFET進行達林頓連接后形成的單片型Bi-MOS晶體管。 因此，在門極-發射極之間外加正電壓使功率MOSFET導通時，PNP晶體管的基極-集電極就連接上了低電阻，從而使PNP晶體管處于導通狀態，由于通過在漏極上追加p+層，在導通狀態下從p+層向n基極注入空穴，從而引發傳導性能的轉變，因此它與功率MOSFET相比，可以得到極低的通態電阻。 此后，使門極-發射極之間的電壓為0V時，首先功率MOSFET處于斷路狀態，PNP晶體管的基極電流被切斷，從而處于斷路狀態。 如上所述，IGBT和功率MOSFET一樣，通過電壓信號可以控制開通和關斷動作。 3．穿通型(PT) & 非穿通型(NPT)&場中止型(FS)IGBT PT-IGBT在數百微米厚的P+單晶襯底與N-漂移耐壓層之間添加了N+緩沖層，外延層上制造復雜的正面結構。N+緩沖層通過減少少數載流子的注入及提高開關過程中的復合速度，可以提高IGBT的關斷速度。此外擎柱效應也得到了改善，減少了PNP晶體管的增益。但是，會造成通態壓降增加。不過，N-漂移區的厚度可以減小并保持相同的正向電壓阻斷能力，因為N+緩沖層可以提高正向電壓阻斷能力，從而降低通態壓降。因此，PT-IGBT相對于NPT-IGBT具有優越的開關速度和正向壓降折衷特性。PT-IGBT的導通壓降VCEsat具有負溫度系數，熱電正反饋效應很容易使電流集中，誘發二次擊穿，器件高溫穩定性差，不利于并聯工作。 高壓NPT-IGBT采用N-型單晶為起始材料，單晶襯底上直接制造正面復雜的結構，結構完成后，從襯底背面采用研磨、腐蝕的方法減薄到耐壓所需的厚度，之后很薄的P+集電區通過離子注入形成，摻雜濃度較低，對少子電子是透明的，主要（約70%）電子流形式的電流通過集電結。器件關斷時，漂移區存儲的大量過剩電子通過透明集電區能迅速流出，而空穴本來就能順利流向發射極。因此NPT-IGBT不需要載流子壽命控制就能實現快速關斷。漂移區載流子壽命足夠長，通態壓降VCEsat具有正溫度系數。 FS-IGBT是通過在傳統的NPT-IGBT的襯底區和集電區之間加入一個n型摻雜附加層實現，這個附加層被稱為電場中止（fieldstop）層。一般襯底厚度是標志通態損耗大小的參數—飽和電壓VCEsat的主要決定因素。襯底越厚，飽和電壓越大。傳統的NPT-IGBT以較厚硅片為基本，1200V耐壓IGBT大概200微米厚。從圖中電場強度分布曲線可看出，在關斷期間整個襯底中電場強度線性下降，最后到零。這種電場分布對應的摻雜濃度分布（均勻分布）是一種很差的分布，它意味著導通狀態下襯底的內部電阻相當大。若為了降低電阻調整襯底摻雜濃度則會對器件其他參數帶來不利影響。而FS-IGBT電場中止層的摻雜總劑量設計為能使電場強度在這一層中基本降低為零。就是說該層以下襯底中電場強度的降低可以忽略，因而，IGBT的電壓阻斷能力與襯底厚度不再有關系，可以研磨的更薄。使IGBT具有很低的飽和電壓，從而有很低的通態損耗。 傳統的NPT-IGBT和Fieldstop IGBT在關斷狀態的剖面和電場分布 4．IGBT工作原理 IGBT導通過程：當N溝道類型的 IGBT處在正向阻斷模式時，通過柵極-發射極間施加閥值電壓VTH以上的(正)電壓，在柵極電極正下方的p層上形成反型層(溝道)，發射極電極下的n-層電子開始注入溝道，該電子為PNP晶體管的少數載流子，若此時集電極與發射極電壓在0.7V以上，從集電極襯底p+層開始流入空穴，進行電導率調制(雙極工作)，所以可以使集電極-發射極間飽和電壓降低。基片的應用在管體的P+襯底和N+漂移區之間創建了一個J1結。當正柵偏壓使柵極下面反演P基區時，一個N溝道形成，同時出現一個電子流，并完全按照功率MOSFET的方式產生一股電流。J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區內，并調整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功率導通的總損耗， 并啟動了第二個電荷流。最后的結果是，在半導體層次內臨時出現兩種不同的電流拓撲：一個電子流(MOSFET 電流);空穴電流(雙極)。UGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。電導調制效應使電阻RN減小，使通態壓降小。 IGBT關斷過程：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。當在柵極施加一個負偏壓或柵壓低于門限值時，反型層無法維持，溝道被禁止，供應到N-漂移區的電子流被阻斷，沒有空穴注入N-區內。關斷過程開始，但是關斷不能迅速完成。MOSFET電流在開關階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因為正向傳導過程中的N-漂移區被注入少數空穴載流子。換向開始后，由于溝道電子流的中止，集電極的電流急劇降低，然后在N-層內還存在少數的載流子(少子)進行復合，集電極電流再逐漸降低。這種拖尾電流的降低，完全取決于關斷時電荷的密度，而密度又與摻雜質的數量和拓撲，層次厚度和溫度有關。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，會引起以下問題：功耗升高;交叉導通問題，特別是在使用 續流二極管的設備上，問題更加明顯。www.mosigbt.com |
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